钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模拟方法与流程

1.本发明涉及组合剪力墙模拟技术领域，尤其涉及一种钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模拟方法。


背景技术：

2.钢板-混凝土组合剪力墙是一种高效的承重及抗侧力结构，其钢结构部分可在工厂预制完成，并在施工现场进行安装及混凝土浇筑，符合装配式建筑及建筑工业化发展理念。该结构具有承载力高、抗震性能优越、施工周期短、施工质量高等优点，已越来越多地应用于高层及超高层建筑中。但由于钢板-混凝土组合剪力墙结构形式较为新颖且多样，其抗震性能尚不完全明确，因此有必要对此做进一步研究。
3.结构试验能够准确反映结构在特定工况下的抗震性能，但因其在材料、人工、设备、时间等方面的成本较高，结构试验在学术研究中的应用有限。有限元分析作为一种常用的结构抗震性能模拟分析方法，在学术研究中受到广泛应用。考虑结构在受力过程中出现的几何及材料非线性特征，可对结构抗震性能进行准确地模拟，从而在经济、高效的情况下，实现对结构抗震性能的参数化分析、全面探究结构抗震性能。
4.目前，对钢筋混凝土剪力墙联肢体系、钢板剪力墙联肢体系进行非线性有限元分析的研究较多，但鲜有研究对钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系进行非线性有限元分析，其原因是该类结构体系受力机理复杂，钢板、钢管与混凝土间相互作用及接触机制复杂，由此导致有限元模型与实际结构体系受力性能吻合度差、难以收敛、分析效率低。因此，提出钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模拟方法具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述问题提供了一种钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模拟方法，可建立一个钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模型，实现对钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系高效率、高精度的有限元分析。
6.本发明所采取的技术方案：
7.钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模拟方法，包括以下步骤：
8.第一步，选取钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系结构构件简化模型；
9.第二步，建立钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系简化模型构件单元；
10.第三步，对构件简化模型赋予材料本构属性；
11.第四步，设置构件简化模型的连接方式，组装钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模型；
12.第五步，设置边界条件及荷载，完成网格划分，提交任务，完成计算分析。
13.所述的第一步中将钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系分为钢管混凝土组合柱构件、钢板-混凝土组合墙板构件和型钢连梁构件三部分，钢管混凝土组合柱包括钢管混凝土组合柱钢管和钢管混凝土组合柱混凝土；钢板-混凝土组合墙板包括钢板-混凝土组合墙板
钢板和钢板-混凝土组合墙板混凝土；型钢连梁包括钢板-混凝土组合墙板对拉螺栓、型钢连梁翼缘和型钢连梁腹板。
14.所述的第二步中采用b31梁单元建立钢管混凝土组合柱构件的有限元简化模型，通过keyword功能插入*rebar关键字，将b31梁单元截面钢管位置离散为一系列纤维节点，实现在同一b31梁单元中同时模拟钢管及混凝土。
15.所述的第二步中采用composite layup复合壳单元建立钢板-混凝土组合墙板的有限元简化模型，将复合壳单元沿壳厚度方向划分为三层，分别代表钢板、混凝土、钢板，采用simpson法对复合壳单元厚度方向进行积分
16.所述的第二步中采用b31梁单元建立型钢连梁翼缘的有限元简化模型，采用s4r壳单元建立型钢连梁腹板的有限元简化模型。
17.所述的第三步中采用三折线随动强化模型模拟钢管混凝土组合柱钢管、钢板-混凝土组合墙板钢板、型钢连梁翼缘及型钢连梁腹板的材料本构属性；采用塑性损伤模型模拟钢管混凝土组合柱混凝土、钢板-混凝土组合墙板混凝土的材料本构属性。
18.所述的第四步中采用tie绑定连接方式，将钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元与钢板-混凝土组合墙板简化模型composite layup复合壳单元、钢管混凝土边柱b31梁单元与钢连梁腹板s4r壳单元、钢连梁腹板s4r壳单元与钢连梁翼缘b31梁单元进行连接，即耦合上述单元节点处的全部自由度，并取连接构件截面高度之半设置绑定容差，形成钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模型。
19.本发明的有益效果：本发明通过以上简化模拟方法，科学合理地简化了钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元模型，有效减少单元数量，实现分析路径优化，显著提高计算效率；建立了能够准确反映钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系受力状态的有限元简化模型，主要解决了现有方法建立的有限元模型与实际结构体系受力性能吻合度差、难以收敛、分析效率低的问题。
附图说明
20.图1为本发明的流程示意图。
21.图2为本发明的精细模型示意图。
22.图3为本发明的钢管混凝土组合柱截面有限元简化模型示意图。
23.图4为本发明的钢板-混凝土组合剪力墙板有限元简化模型示意图。
24.图5为本发明的型钢连梁有限元简化模型示意图。
25.图6为本发明简化后的钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模型示意图。
26.其中：1-钢管混凝土组合柱钢管；2-钢管混凝土组合柱混凝土；3-钢板-混凝土组合剪力墙板钢板；4-钢板-混凝土组合剪力墙板混凝土；5-钢板-混凝土组合剪力墙板对拉螺栓；6-型钢连梁翼缘；7-型钢连梁腹板；8-钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元轴线；9-钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元钢管纤维离散节点；10-塑性损伤模型赋予钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元混凝土纤维离散节点；11-钢板-混凝土组合剪力墙板简化模型composite layup复合壳单元混凝土层；12-钢板-混凝土组合剪力墙板简化模型composite layup复合壳单元钢板层；13-型钢连梁翼缘简化模型b31梁单元；14-tie绑定连接方式；15-钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元；16-钢板-混凝土组合墙板简化模型
composite layup复合壳单元。
具体实施方式
27.如图1所示，钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模拟方法，包含以下具体步骤：
28.第一步，选取拟模拟分析的钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系模型。如图2所示，钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系由钢管混凝土组合柱钢管1、钢管混凝土组合柱混凝土2、钢板-混凝土组合剪力墙板钢板3、钢板-混凝土组合剪力墙板混凝土4、钢板-混凝土组合剪力墙板对拉螺栓5、型钢连梁翼缘6、型钢连梁腹板7组成。
29.第二步，建立钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系简化模型构件单元。如图3所示，采用b31梁单元建立钢管混凝土组合柱构件的有限元简化模型，通过keyword功能插入*rebar关键字，将b31梁单元截面钢管位置离散为一系列纤维节点，将b31梁单元截面混凝土位置离散为一系列纤维节点，截面形心为钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元轴线8。如图4所示，采用composite layup复合壳单元建立钢板-混凝土组合墙板简化模型，假定钢板-混凝土组合墙板构件中钢板与混凝土之间满足应变协调关系，并且钢板不发生弹性失稳，设置钢板层、混凝土层、钢板层三层材料面层，采用simpson法对复合壳单元厚度方向进行积分，每层材料面层可根据厚度设置3至5个积分点。如图5所示，采用b31梁单元建立型钢连梁简化模型翼缘，采用s4r壳单元模拟型钢连梁腹板7，型钢连梁简化模型翼缘与型钢连梁腹板间采用tie绑定连接。
30.第三步，建立材料本构模型。采用三折线随动强化模型模拟钢材材料本构属性，采用塑性损伤模型模拟混凝土材料本构属性。将三折线随动强化模型赋予型钢连梁腹板7、钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元钢管纤维离散节点9、钢板-混凝土组合剪力墙板简化模型composite layup复合壳单元钢板层12、型钢连梁翼缘简化模型b31梁单元13；将塑性损伤模型赋予钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元混凝土纤维离散节点10、钢板-混凝土组合剪力墙板简化模型composite layup复合壳单元混凝土层11，采用纤维截面b31梁单元模拟钢管混凝土组合柱，可实现对钢管及混凝土分别赋予不同的材料本构属性，在显著提高计算效率及收敛性的同时，保证了模型运算结果的准确性，采用b31梁单元模拟型钢连梁翼缘，充分利用了型钢梁翼缘以承受轴向荷载为主的受力特性，从而缩减了构件模型单元数量，提高了计算效率，分别采用三折线随动强化模型、塑性损伤模型模拟钢材、混凝土的材料本构属性，可准确反映各结构构件在往复荷载作用下的损伤状态与应力发展情况。
31.第四步，采用tie绑定连接方式14将钢管混凝土组合柱简化模型b31梁单元15与钢板-混凝土组合墙板简化模型composite layup复合壳单元16、钢管混凝土边柱b31梁单元与钢连梁腹板s4r壳单元、钢连梁腹板s4r壳单元与钢连梁翼缘b31梁单元进行连接，即耦合上述单元节点处的全部自由度，并取连接构件截面高度之半设置绑定容差，形成钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模型，如图6所示，采用composite layup复合壳单元模拟钢板-混凝土组合墙板，假定钢板-混凝土组合墙板构件中钢板与混凝土之间满足应变协调关系，假定钢板不发生弹性失稳，将实体三维构件简化为壳单元模型，显著提高了计算效率。
32.第五步，根据实际工况设置钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模型边
界条件及荷载，完成网格划分，提交任务，完成计算分析。
33.对钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模型进行计算分析，提取相关数据，将钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元简化模型分析结果与钢板-混凝土组合剪力墙联肢体系有限元精细模型分析结果、结构试验结果进行对比分析。对比分析结果表明，该方法解决了现有方法建立的有限元模型与实际结构体系受力性能吻合度差、难以收敛、分析效率低的问题。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。